Sinergia agentilor antimicrobieni incorporati in acoperiri durabile de bio-sticla pentru implanturi endo-osoase (SYNERGLASS)


Project Director: Dr. George Stan

Cod Proiect:  PN-III-P1-1.1-TE-2016-1501

Director de Proiect: Dr. George Stan

Tipul Proiectului: National

Programul de incadrare al Proiectului: RESURSE UMANE, Tinere Echipe

Finantat de: Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamantului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii, UEFISCDI

Contractor: Institutul National C-D pentru Fizica Materialelor

Status: Finalizat

Data Inceperii:  2 mai, 2018

Data Finalizarii:  15 octombrie, 2020

 

Rezumatul Proiectului:

Astazi, rezistenta la antibiotice devine o problema importanta, putand spune ca intram in "era post-antibiotice". Complicatii acute pot surveni dupa operatiile de implatare, deoarece trauma va slabi raspunsul imun local si va permite patogenilor sa adere si sa se dezvolte rapid in situl de implantare. Severitatea creste in stomatologie, deoarece nu se pot atinge conditii aseptice in mediul bucal. De aceea, obiectivele proiectului vizeaza identificarea de solutii capabile sa genereze un efect sinergic prin cuplarea unor agenti oxidici antimicrobieni (i.e. Ga2O3, CuO, Fe3O4, Ag2O) cu mecanisme diferite de actiune, incorporati in filme de bio-sticla depuse prin pulverizare magnetron, si, prin urmare, dezvoltarea unei noi generatii acoperiri implant, capabile sa satisfaca cerintele actuale din implantologia osoasa: durabilitate mecanica, compatibilizarea coeficientilor de dilatare termica acoperire vs. substrat metalic, conservarea conectivitatii de retea impreuna cu bioactivitatea si capacitatea de osteointegrare, compatibilizarea ratei de vindecare osoasa cu viteza de degradare a acoperirii, si o actiune antimicrobiana eficienta impotriva unui spectru larg de agenti patogeni. Indeplinirea acestor deziderate va impune tranzitia catre dispozitive medicale sigure si cu performante functionale superioare. Solutii pentru (i) stimularea si controlul duratei efectului antimicrobian prin includerea de straturi de sacrificiu, (ii) simplificarea lantului tehnologic de fabricatie, si (iii) imbunatatirea protocoalelor de testare in vitro, vor fi de asemenea propuse. Gradul de inovare tintit de obiectivele proiectului poate permite depasirea gradului de cunoastere actual din domeniul implantologiei, si astfel, generarea de premise pentru transfer tehnologic si crestere economica locala. Pe langa obiectivele stiintifice, proiectul va avea ca scop atragerea de resurse umane in cercetare si de crearea de oportunitati de formare profesionala continua pentru tinerii cercetatori.

 

Obiectivul general al Proiectului: Identificarea de Agenti Antimicrobieni cu Actiune Sinergica Incorporati in Acoperiri Bioactive de Sticla Bioactiva Fabricate prin Tehnici de Pulverizare Magnetron

Obiective specifice:

O1Sinteza prin metoda răcirii din topitură de serii compoziționale de pulberi SBG și PBG inovative cu substituții oxidice antimicrobiene simple, duble sau triple. Optimizare funcțională. – Realizat [RST 1/2018 & RST 2/2019].

O2Fabricarea prin RF-MS, din noile bio-sticle optimizate, de acoperiri simple și duble cu diferite grosimi și compoziții / structuri  Realizat [RST 2/2019 & RST 3/2020].

O3Experimente exploratorii de fabricare alternativă a acoperirilor SBG prin RF-MS din precursori. – Realizat [RST 2/2019].

O4Caracterizarea multi-parametrică fizico-chimică și funcțională (aderență, duritate, modul elastic, rezistență la uzură, energie de suprafață, degradabilitate, eliberare de ioni, bioactivitate, eficiență antimicrobiană, citocompatibilitate) a pulberilor și acoperirilor BG. Optimizare. – Realizat [RST 2/2019 & RST 3/2020].

O5Aplicarea reţetelor de depunere BG optimizate pentru funcționalizarea implanturilor cu geometrie complexă (e.g. șuruburi dentare). Experimente de „implantare la rece”. – Realizat [RST 3/2020].

O6:  Consolidarea echipei de cercetare prin incorporarea de tineri cercetători cu abilități complementare și interese active în domeniul biomedical. Diseminarea rezultatelor științifice relevante ale proiectului. – Realizat [RST 1/2018, RST 2/2019 & RST 3/2020].

Rezumat etapa I:

Etapa I a proiectului de cercetare TE04 (2018.05.02 – 2018.12.05) a fost dedicată atât preparării şi caracterizării de sisteme inovative de sticlă bioactivă silicatică şi fosfatică cu substituţii de CuO şi/sau Ga2O3 prin metoda răcirii topiturii, cât şi primelor experimente de fabricare din noile materiale de filme subţiri prin metoda pulverizării magnetron în regim de radio-frecvenţă (RF-MS).

Rezultate livrate:

  • Un studiu ştiinţific privind fabricarea şi caracterizarea de noi sisteme compoziţionale de sticle bioactive silicatice (SBG) din sistemul compoziţional SiO2-CaO-P2O5-MgO şi fosfatice (PBG) din sistemul compoziţional P2O5-CaO-Na2O-Fe2O5 cu substituţii de CuO şi/sau Ga2O3 (2 – 5 mol%);
  • Un studiu ştiinţific privind primele preparări şi caracterizări de filme sintetizate prin tehnica RF-MS din noile formulaţii SBG şi PBG;
  • O participare la manifestări ştiinţifice internaţionale.

Raportul stiintific nu va fi prezentat inca pe situl web a proiectului, rezultatele fiind în curs de publicare.

2018: RAPORTUL STIINTIFIC SINTETIC nr. 1 in format *.pdf este disponibil şi poate fi accesat la cerere la UEFISCDI.

 

Rezumat etapa a II-a:

Etapa a II-a a proiectului de cercetare TE04 (2018.12.06 – 2019.12.05) a fost dedicată (i) selecţiei celei mai promiţătoare formulaţii de sticlă bioactivă din punctul de vedere al cuplajului citocompatibilitate/efect antimicrobian; (ii) studierii condiţiilor de fabricare (prin pulverizare magnetron) asupra compoziţiei, structurii şi performanţei funcţionale a acoperirilor implantologice pe baza de sticle bioactive silicatice (SBG) şi/sau fosfatice (PBG) cu efect antimicrobian; (iii) probării unui nou concept de sintetizare a filmelor de SBG; şi (iv) diseminării de rezultate  prin mijloace specifice [i.e., articole ştiinţifice publicate în jurnale indexate Web of Science® situate în primele două cuartile (Q1 şi Q2) ale domeniului ştiinţa şi ingineria materialelor; prezentări la manifestări ştiinţifice cu participare internaţională; pagina web a proiectului)].

Rezultate livrate:

  • Un studiu ştiinţific privind selecţia celei mai promiţătoare compoziţii de sticlă bioactivă cu efect antimicrobian şi citocompatibilitate nealterată;
  • Un studiu ştiinţific privind influenţa condiţiilor de fabricare asupra compoziţiei, structurii şi performanţei funcţionale a acoperirilor implantologice pe bază de sticle bioactive silicatice (SBG) şi fosfatice (PBG) cu efect antimicrobian;
  • O metodă inovativă de sinteză a filmelor SBG;
  • Trei articole publicate în jurnale indexate Web of Science®;
  • Trei participări la manifestări ştiinţifice internaţionale.

Raportul stiintific nu va fi prezentat inca pe situl web a proiectului, rezultatele fiind în curs de publicare.

2019: RAPORTUL STIINTIFIC SINTETIC nr. 2 in format *.pdf este disponibil si poate fi accesat la cerere la UEFISCDI.

 

Rezumat etapa a III-a:

Etapa a III-a a proiectului de cercetare TE04 (2019.12.06 – 2020.10.15) a fost dedicată (i) evaluărilor şi verificărilor finale din punct de vedere fizico-chimic şi al performanţelor biologice in vitro a arhitecturilor mono- şi bi-strat de acoperiri pentru implanturi pe bază de sticle bioactive silicatice (SBG) şi/sau fosfatice (PBG) cu efect antimicrobian; (ii) aplicării reţetelor de depunere BG optimizate pentru funcționalizarea implanturilor cu geometrie complexă (i.e., șuruburi dentare), urmate de experimente de „implantare la rece” în mandibulă de oaie şi evaluarea modificărilor morfologice induse de stresurile mecanice dinamice inerente inserării în os şi extragerii prin deşurubare a reperelor implantologice dentare; şi (iii) diseminării rezultatelor prin mijloace specifice: prin trimiterea la evaluare a 4 lucrări ştiinţifice la jurnale indexate Web of Science® situate în primele două cuartile (Q1 şi Q2) ale domeniului Ştiinţa Materialelor; prezentarea a două lucrări la manifestări ştiinţifice cu participare internaţională; protejarea rezultatelor cu potenţial de transfer industrial prin redactarea unei cereri de brevet depusă la Oficiul de Stat pentru Invenţii şi Mărci (OSIM); şi pe pagina web a proiectului)].

Rezultate livrate:

  • Un studiu ştiinţific privind aplicarea reţetelor de depunere BG optimizate pentru funcționalizarea implanturilor cu geometrie complexă (i.e., șuruburi dentare) şi realizarea de experimente de „implantare la rece”;
  • Realizarea de demonstratori de implanturi dentare reale biofuncţionalizate cu acoperiri (i) monostrat realizate prin metoda inovativă de sinteză propusă în cadrul proiectului şi (ii) bi-strat, fabricate prin tehnologia clasică RF-MS, şi compuse dintr-un strat cu capacitate excelentă de biomineralizare în contact cu implantul metalic şi un strat sacrificial resorbabil superficial cu efect antimicrobian;
  • Trimiterea la evaluare a patru lucrări ştiinţifice la jurnale indexate Web of Science® încadrate în cuartilele Q1 şi Q2;
  • Două participări la manifestări ştiinţifice internaţionale;
  • O cerere de brevet depusă la Oficiul de Stat pentru Invenţii şi Mărci (OSIM).

Raportul stiintific nu va fi prezentat inca pe situl web a proiectului, rezultatele fiind în curs de publicare.

2020: RAPORTUL STIINTIFIC SINTETIC nr. 3 (total) in format *.pdf este disponibil si poate fi accesat la cerere la UEFISCDI.

Obiectivele ştiinţifice ale proiectului au fost atinse. Rezultatele obţinute ne încurajează să continuam cercetările şi să ne concentram în viitorul apropiat nu doar pe creşterea vizibilităţii internaţionale a rezultatelor proiectului, şi comunicarea progreselor realizate în cadrul manifestărilor ştiinţifice, ci şi în cadrul târgurilor/expoziţiilor de Tehnologie şi Inovare, cu scopul de a identifica parteneri industriali interesaţi de preluarea reţetelor optimizate de funcţionalizare prin RF-MS a implanturilor cu straturi sacrificiale antimicrobiene.

Şi obiectivele de diseminare a rezultatelor proiectului au fost atinse, atât prin participarea la conferinţe şi manifestări ştiinţifice internaţionale (1 lecţie invitată, 1 prezentare orală şi patru prezentări poster), cât şi prin publicarea a 3 articole în jurnale Web of Science® încadrate în cuartilele Q1 (zona roşie) şi Q2 (zona galbenă), trimiterea a încă 4 lucrări spre evaluare la jurnale Web of Science® încadrate în cuartilele Q1 şi Q2. Diseminarea va continua şi după data încheierii proiectului. Pe baza celor mai noi rezultate obţinute în proiect, echipa TE are în pregatire încă trei lucrări ştiinţifice care vor fi trimise în curând spre evaluare la jurnale situate în zona roşie a subdomeniilor „Science Citation Index Expanded”: Materials Science – Biomaterials, Materials Science – Coatings & Films sau Materials Science – Ceramics.

  • 2020: Any-Cristina SERGENTU, anul 3 de studiu (terminal), Facultatea de Inginerie Medicală, Universitatea POLITEHNICA Bucureşti, a efectuat (01.02.2020 - 01.06.2020) studiile de cercetare din cadrul Lucrării sale de Licenţă intitulată: “ACOPERIRI PE BAZĂ UNOR NOI SISTEME COMPOZIŢIONALE DE STICLE SILICATICE BIOACTIVE FĂRĂ OXIZI ALCALINI REALIZATE PRIN TEHNOLOGIA PULVERIZĂRII ÎN CÂMP MAGNETRON ÎN REGIM DE RADIOFRECVENŢĂ”, sub coordonarea ştiinţifică a Dr. George Stan (INCDFM, director de proiect TE04/2018), As.Dr. Andrea Cucuruz (UPB-FIM) şi Prof.Dr. Cristina Ghiţulică (UPB-FIM).

Articole publicate sau acceptate in jurnale cotate Web of Science®:

  • 01. A.C. Popa^, H.R. Fernandes, M. Necsulescu, C. Luculescu, M. Cioangher, V. Dumitru, B.W. Stuart, D.M. Grant, G.E. Stan^,*, J.M.F. Ferreira*, Antibacterial efficiency of alkali-free bioglasses incorporating ZnO and/or SrO as therapeutic agentsCERAM INT 45 (2019) 4368–4380. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.11.112.
  • 02. S.L. Iconaru, A. Groza, G.E. Stan^, D. Predoi, S. Gaiaschi, R. Trusca, C.M. Chifiriuc, L. Marutescu, T. Tite, G.A. Stanciu, R. Hristu, L. Ghegoiu, M.L. Badea, C.S. Turculet, M. Ganciu, P. Chapon, Preparations of silver/montmorillonite biocomposite multilayers and their antifungal activity; COATINGS 9 (2019) 817. https://doi.org/10.3390/coatings9120817.
  • 03. H.R. Fernandes, A. Gaddam, A. Rebelo, D. Brazete, G.E. Stan^, J.M.F. Ferreira, Bioactive glasses and glass-ceramics for healthcare applications in bone regeneration and tissue engineeringMATERIALS 11 (2018) 2530. https://doi.org/10.3390/ma11122530.
  • 04. G.E. Stan^,*, T. Tite, A.C. Popa^, I.M. Chirica^, C.C. Negrila^, C. Besleaga^, I. Zgura, A.C. Sergentu, G. Popescu-Pelin, D. Cristea, L.E. Ionescu, M. Necsulescu, H.R. Fernandes, J.M.F. Ferreira, The beneficial mechanical and biological outcomes of thin copper-gallium doped silica-rich bio-active glass implant-type coatings; COATINGS 10 (2020) 1119. https://doi.org/10.3390/coatings10111119.
  • 05. G. Popescu-Pelin, C. Ristoscu, L. Duta, I. Pasuk^, G.E. Stan^, M.S. Stan, M. Popa, M.C. Chifiriuc, C. Hapenciuc, F.N. Oktar, A. Nicarel, I.N. Mihailescu*, Fish bone derived bi-phasic calcium phosphate coatings fabricated by pulsed laser deposition for biomedical applicationsMAR DRUGS 18 (2020) 623. https://doi.org/10.3390/md18120623.
  • 06. T. Tite, A.C. Popa^, I.M. Chirica^, B.W. Stuart, A.C. Galca^, L.M. Balescu^, G. Popescu-Pelin, D.M. Grant, J.M.F. Ferreira, G.E. Stan^,*, Phosphate bioglass thin-films: Cross-area uniformity, structure and biological performance tailored by the simple modification of magnetron sputtering gas pressure; APPL SURF SCI 541 (2021) 148640. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.148640.
  • 07. A. Gaddam*, A.R. Allu, H.R. Fernandes, G.E. Stan^, C.C. Negrila^, A.P. Jamale, F. Mear, L. Montagne, J.M.F. Ferreira*, Role of vanadium oxide on the lithium silicate glass structure and properties; J AM CERAM SOC 104 (2021) 2495. https://doi.org/10.1111/jace.17671.
  • 08. B.W. Stuart*, G.E. Stan^, A.C. Popa^, M.J. Carrington, I. Zgura, M. Necsulescu, D.M. Grant*, New solutions for combatting implant bacterial infection based on silver nano-dispersed and gallium incorporated phosphate bioactive glass sputtered films: A preliminary study; acceptat la BIOACTIVE MATER (2021). https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.05.055.

Manuscrise in pregatire:

  • 09. G.E. Stan^,*, A.C. Popa^, C. Besleaga^, C.C. Negrila^, J.M.F. Ferreira, Titlu provizoriu: Bioglass synthesis by physical vapour condensation; in pregatire.
  • 10. T. Tite, H.R. Fernandes, B.W. Stuart, A.C. Popa^, C.R. Luculescu^, G.A. Lungu, D. Macovei, M.A. Husanu, L. Albulescu, C. Tanase, S. Nita, N. Rusu, D.M. Grant, J.M.F. Ferreira, G.E. Stan^,*, Titlu provizoriu: Individual and coupled bio-functional effects of CuO and Ga2O3 substitution of in silicate- and phosphate-based bioactive glasses; in pregatire.

Cerere de brevet OSIM:

  • 01G. Stan^, A.C. Popa^, C. Besleaga^, Procedeu de realizare a unui implant endoosos cu activitate antimicrobiană extinsă, condiţionată ca intensitate şi durată  prin grosimea stratului bioresorbabil de acoperire din sticlă fosfatică cosubstituită; cerere de brevet OSIM nr. A/00633/octombrie 2020.

Conferinte si manifestari stiintifice internationale:

  • 01. G.E. Stan^*, A.C. Popa^, C. Besleaga^, J.M.F. Ferreira, Comparative in vitro behaviour of bioglass coatings in simulated body media with improved biomimicry: Challenging a paradigm, The 5th Edition of International Conference on Analytical and Nanoanalytical Methods for Biomedical and Environmental Sciences (IC-ANMBES), 23–25 mai 2018, Brasov, Romania (prezentare invitată);
  • 02. A.C. Popa^, T. Tite, I.M. Bogdan^,*, H.R. Fernandes, M. Necsulescu, C. Luculescu, M. Cioangher, V. Dumitru, B.W. Stuart, D.M. Grant, J.M.F. Ferreira, G.E. Stan^, Synergetic antibacterial effect in alkali-free bio-glasses incorporated with ZnO and/or SrO as therapeutic agents, EMRS Conference – Spring Meeting, 27–31 mai 2019, Nisa, Franta (poster);
  • 03. T. Tite, A.C. Popa^, A.C. Galca^, L.M. Balescu^, I.M. Bogdan^,*, B.W. Stuart, G. Pelin-Popescu, G.E. Stan^, Tuning the structure and biological response of sputtered phosphate bioglass films by the deposition pressure, EMRS Conference – Spring Meeting, 27–31 mai 2019, Nisa, Franta (poster);
  • 04. G.E. Stan^,*, A.C. Popa^, V.M.F. Marques, A.C. Galca^, C. Ghica, M.A. Husanu, M. Enculescu, C. Tanase, D.U. Tulyaganov, J.M.F. Ferreira, Functional performance of bioactive silica-based glass implant coatings deposited by magnetron sputtering onto dental screws, EuroNanoForum, 12–14 iunie 2019, Bucuresti, Romania (poster);
  • 05. I.M. Chirica^,*,  T. Tite,  A.C. Popa^, A.C. Galca^, L.M. Balescu^, G. Popescu-Pelin, B.W. Stuart, D.M. Grant, G.E. Stan^, Physico-chemical and biological characterization of phosphate bio-glass implant-type coatings fabricated by radio-frequency magnetron sputtering, 44th International Conference and Expo on Advanced Ceramics and Composites (ICACC 2020), 26–31 ianuarie 2020, Daytona Beach, SUA (poster).
  • 06. G.E. Stan^,*, A.C. Popa^, C. Tanase, H.R. Fernandes, J.M.F. Ferreira, Magnetron sputtered bioactive glass implant-type coatings: the road so far and the road ahead, 5th edition of International Workshop on Materials Physics (IWMP), 21 septembrie 2020, Magurele, Romania (oral).

 

*autor corespondent/autor prezentator

^membru al echipei de cercetare a proiectului

GEORGE E. STAN, Doctor in Ingineria Materialelor

Cercetator stiintific gradul I

Telefon: +40-(0)21-2418 128 sau +40-(0)21-2418 153

Departament: Laboratorul de Materiale si Structuri Multifunctionale


PROJECTS/ PROIECTE NATIONALE


Back to top

Copyright © 2021 National Institute of Materials Physics. All Rights Reserved